Υλικά Γεωθερμίας

Σύγχυση, είναι η λέξη που περιγράφει αρκετές μελετητικές προτάσεις σχετικά με τις γεωθερμικές εφαρμογές κάθετων εναλλακτών ή τις προσφορές που λαμβάνει ο ενδιαφερόμενος για την ίδια εφαρμογή ενός γεωθερμικού συστήματος. Το ότι τα γεωθερμικά συστήματα αναπτύχθηκαν και εφαρμόσθηκαν επιτυχώς – αρκετές δεκαετίες πριν – σε χώρες της Αμερικής και της Ευρώπης έχει εκληφθεί από πολλούς ως μανιέρα, αντιγράφοντας αυτές τις εφαρμογές χωρίς να τις φιλτράρουν μέσα από τα γεωγραφικά και γεωλογικά χαρακτηριστικά της Ελλάδας. Η προάσπιση της απόδοσης ενός γεωθερμικού συστήματος κάθετου βρόχου απαιτεί την διευθέτηση αρκετών παραμέτρων.

Αχίλλειος πτέρνα – των γεωθερμικών εγκαταστάσεων κάθετου βρόχου – αποτελεί τόσο το ενδεχόμενο δημιουργίας ρηγματώσεων στο σύστημα των γεωτρήσεων με κίνδυνο την διαφυγή αντιψυκτικού υγρού σε υπόγειες υδροφορίες όσο και η ενδεχόμενη αλλοίωση της μέσης ετήσιας θερμοκρασίας του εδάφους ή η διαστρωμάτωση του ενέματος του κατακόρυφης οπής.

Στις εγκαταστάσεις που ως στόχο έχουν τη εναπόθεση της θερμότητας στο έδαφος και την απορρόφηση της από αυτό, η βάση των υπολογισμών θα πρέπει να στηρίζεται στην μέση ετήσια θερμοκρασία του εδάφους. Αντιθέτως στις εφαρμογές του heat storage, που πραγματοποιούν εποχιακή συσσώρευση της θερμότητας αποσκοπώντας στην απαγωγή της το υπόλοιπο διάστημα του έτους, κατά την διεξαγωγή της μελέτης θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η ετήσια μέση θερμοκρασία εδάφους. Και στις δύο περιπτώσεις όμως, οι αποστάσεις των γεωτρήσεων καθώς και η ποσότητα των θερμικών φορτίων που συναλλάσσεται με το έδαφος θα πρέπει να εκτιμούνται έτσι ώστε να μην παρουσιάζονται προβλήματα στο υπόλοιπο οικοσύστημα.

Η πρόκληση ρωγμών στις γεωτρήσεις οφείλεται στο ότι για την μεταφορά της θερμότητας από το διάλυμα του γεωσυλλέκτη στο έδαφος, πρέπει να προσπελαστεί ένας αριθμός διαφορετικών θερμικών αντιστάσεων οι οποίες αφορούν τα διαφορετικά υλικά που εμπλέκονται στην θερμική διεργασία. Οι θερμικές αντιστάσεις των επιμέρους υλικών διαμορφώνουν την τελική θερμική αντίσταση της οπής. Τα δυο βασικά μέρη αυτής της αντίστασης, είναι η θερμική αντίσταση μεταξύ του διαλύματος του γεωσυλλέκτη και της τσιμέντωσης της γεώτρησης καθώς και η θερμική αντίσταση – όπως τελικά διαμορφώνεται από τα θερμικά φορτία που εναποτίθενται ή αποσπώνται – του τμήματος του εδάφους που περιβάλλει την γεώτρηση σε σχέση με την «κατάλληλη» – για κάθε εφαρμογή – μέση ετήσια θερμοκρασία του εδάφους.

Η επιλογή μεταξύ του διπλού και του τετραπλού γεωσυλλέκτη διαφοροποιείται σε σχέση με το κλίμα και τις συνθήκες που επικρατούν ανά περίπτωση. Ο τετραπλός πλεονεκτεί του διπλού στο ότι μεταφέρει μεγαλύτερα ποσά θερμότητας και παρουσιάζει ευκολότερη απορρόφηση των θερμικών φορτίων με τη δημιουργία τεχνητής ανακυκλοφορίας νερού κατά τον κατακόρυφο άξονα. Παρόμοοι φαινόμενο παρουσιάζεται και κατά την διαρκεία της ψύξης, δηλαδή εναπόθεσης των θερμικών φορτίων στο έδαφος.

Παρόλα αυτά, και στις δύο περιπτώσεις, για την υλοποίηση του συστήματος των γεωτρήσεων απαιτείται η τσιμέντωση αυτών ως προς την απομόνωση και προστασία της υφιστάμενης ή ενδεχόμενης υδροφορίας, τότε κατά την θερινή περίοδο – σε χώρες με κλίματα ανάλογα με αυτό της Ελλάδος – η θερμότητα η οποία διαμέσου των γεωσυλλεκτών επιδιώκει να εναποτεθεί στο έδαφος, υπερφορτώνει τον κεντρικό κάθετο άξονα της γεώτρησης γύρω από τον οποίο διατάσσονται οι σωληνώσεις του τετραπλού γεωσυλλέκτη. Ως αποτέλεσμα έχουμε τη δημιουργία ρηγματώσεων επί της τσιμέντωσης των γεωτρήσεων και το φαινόμενο αυτό γίνεται ακόμη πιο αισθητό όταν η διάμετρος της γεώτρησης είναι μικρότερη ή ίση των 6 ιντσών.

Το νομοθετικό πλαίσιο που υφίσταται για τα γεωθερμικά συστήματα στην Β. Αμερική επιτρέπει την χρήση διπλού γεωσυλλέκτη και μόνον στη θέρμανση, κι απαγορεύει τη χρήση αυτού στην ψύξη. Επιπλέον, απαγορεύει τον εμπλουτισμού της γεώτρησης με οτιδήποτε άλλο εκτός από τα μπάζα της ίδιας της γεώτρησης και μπετονίτη με χαμηλή διαπερατότητα. Με τον τρόπο αυτό διασφαλίζεται η προστασία της υπόγειας υδροφορίας.

Από την άλλη πλευρά, στην Κ. Ευρώπη οι γεωθερμικές εφαρμογές πραγματοποιούνται κατά κύριο λόγο για την θέρμανση (ή και τον δροσισμό) εγκαταστάσεων και όχι για την θέρμανση – ψύξη. Εξαιτίας του ότι οι γεωτρήσεις των κάθετων γεωθερμικών συστημάτων εμπλουτίζονται με νερό ή διάλυμμα νερού-αντιψυκτικού και η χρήση των τους αφορά την απορρόφηση θερμότητας από το υπέδαφος και όχι τον εμπλουτισμό προς αυτό, προτιμάται η τοποθέτηση του τετραπλού γεωσυλλέκτη.

Είναι προσωπική μου άποψη ότι, θα έπρεπε να λάβει κανείς κατά νου ότι τα γεωθερμικά συστήματα της χώρας μας χρησιμοποιούνται τόσο για τη θέρμανση όσο και για την ψύξη των κτιρίων και σε συνδυασμό με την ιδιαιτέρως θερμή θερινή περίοδο, τα υψηλά θερμικά φορτία που απαιτούνται να διοχετευτούν στο έδαφος δια μέσου των γεωσυλλεκτών, αυξάνουν σημαντικά τον βαθμό επικινδυνότητας για δημιουργία ρηγματώσεων στις γεωτρήσεις των κάθετων γεωθερμικών συστημάτων με χρήση τετραπλού γεωσυλλέκτη. Επιπλέον στις εφαρμογές που για τον οποιοδήποτε λόγο είναι επιθυμητή η μεταφορά θερμικών φορτίων από το έδαφος προς την εγκατάσταση και μόνον, η ταχύτατη απορρόφηση θερμικών φορτίων από το έδαφος ίσως να οδηγήσει στην δυσμενή συνθήκη μη επανάκτησης της αρχικής του θερμοκρασίας. Αυτό βέβαια θα μπορούσε να συμβεί σε οποιαδήποτε υποδιαστασιολόγηση του συνολικού συστήματος κι όχι μόνον επειδή χρησιμοποιήθηκε τετραπλός γεωσυλλέκτης.

Τσιμέντωση ή ενεμάτωση γεωθερμικών γεωτρήσεων είναι η διαδικασία τοποθέτησης υλικού μικρής διαπερατότητας και καλών ιδιοτήτων μεταφοράς θερμότητας εντός της δακτυλιοειδούς περιοχής η οποία βρίσκεται μεταξύ της οπής της γεώτρησης και του κατακόρυφου γεωσυλλέκτη. Ο πιο σημαντικός λόγος για την τσιμέντωση γύρω από τον κατακόρυφο γεωσυλλέκτη είναι ο αποκλεισμός του γεωθερμικού συστήματος από το γειτονικό έδαφος και την υδροφορία. Επειδή όμως η τσιμέντωση αυξάνει τη δυσκολία διάχυσης της θερμότητας, φροντίζεται η παροχή κατάλληλης μεταφοράς θερμότητας μεταξύ του γεωσυλλέκτη και του εδάφους για την όσο το δυνατόν πιο αποδοτική λειτουργία του συνολικού γεωθερμικού συστήματος.

Αν η τσιμέντωση δεν τοποθετηθεί πλήρως κατά μήκος του κατακόρυφου γεωσυλλέκτη, τότε η μεταφορά θερμότητας θα περιοριστεί και δεν θα είναι δυνατή η πλήρης απόδοση του συστήματος. Η τσιμέντωση μιας γεώτρησης είναι απαραίτητη διότι προστατεύονται οι σωληνώσεις από τα διάφορα ρευστά με διαβρωτικές ιδιότητες που υπάρχουν στα εδάφη, παρέχεται ασφάλεια στη γεώτρηση από τον έντονο αρτεσιανισμό, και απομονώνεται το σύστημα των κατακόρυφων οπών από την υπόγεια υδροφορία.

Τα υλικά τσιμέντωσης θα πρέπει εξ’ ορισμού να έχουν τη δυνατότητα σφράγισης της οπής της γεώτρησης που περιλαμβάνει τον κατα-κόρυφο γεωσυλλέκτη ενάντια στην κίνηση του νερού κατά την κατακόρυφη κατεύθυνση. Ιδιαίτερης σημασίας είναι η ικανότητα του υλικού γεμίσματος για τη διατήρηση ενός ισχυρού δεσμού μεταξύ των τοιχωμάτων της γεώτρησης αλλά και του υλικού των σωληνώ-σεων, ώστε να αποφευχθεί η κίνηση η διείσ-δυση του νερού λόγω πιθανών διαχωρισμών κατά τον κατακόρυφο άξονα του υλικού πλή-ρωσης της οπής. Είναι ουσιαστικής σημασί-ας η ικανότητα μεταφοράς της θερμότητας του υλικού τσιμέντωσης μεταξύ του κατακό-ρυφου γεωσυλλέκτη και του εδάφους.

Για την επίτευξη της μέγιστης απόδοσης το υλικό τσιμέντωσης πρέπει να παρουσιάζει θερμική αγωγιμότητα παρόμοια με αυτή του γεωλογικού σχηματισμού, αλλιώς θα παρατηρηθεί μείωση της απόδοσης μεταφοράς της ενέργειας. Η ικανότητα μεταφοράς θερμότητας εξαρτάται επίσης από την κατάλληλη θερμική επαφή μεταξύ του υλικού τσιμέντω-σης και των σωληνώσεων, καθώς και μεταξύ του υλικού τσιμέντωσης και του εδάφους. Η πλήρωση της γεώτρησης θα πρέπει να γίνεται από υλικό το οποίο είναι ανθεκτικό στη φυσική συρρίκνωση, διότι διαφορετικά οδηγείται στον κατακόρυφο διαχωρισμό της τσιμέντω-σης και των σωληνώσεων ή της τσιμέντωσης και του εδάφους. Τα υλικά τσιμέντωσης τα οποία χρησιμοποιούνται για τη σφράγιση του δακτυλιοειδούς χώρου μεταξύ της γεώτρη-σης και του κατακόρυφου γεωσυλλέκτη πρέ-πει να έχουν συγκεκριμένες ιδιότητες, ώστε να είναι κατάλληλα τόσο για τη μεταφορά της θερμότητας όσο και για τη μείωση της διαπε-ρατότητας με στόχο τον αποκλεισμό της υπό-γειας υδροφορίας.

Το ιδανικό υλικό τσιμέντωσης έχει χαμηλή διαπερατότητα, ώστε να αντιστέκεται στη ροή των υγρών διαμέσου αυτού, καλές ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας, ικανότητα να μπορεί να συνδέεται τόσο με τον γεωσυλλέκτη, όσο και με τα τοιχώματα της γεώτρησης ώστε να παρέχει μια σφιχτή σύνδεση, να είναι χημικά αδρανές με υλική δομή του υπόγειου νερού με το οποίο θα έρθει σε επαφή, και να αναμιγνύεται εύκολα.

Η γεωθερμία λοιπόν, απαιτεί καθαρά ομοιογενή υλικά κατάλληλης χημικής σύστασης χωρίς αναμείξεις και προσθήκες, μικρής κοκκομετρίας, με στόχο να επιτευχθούν όλα τα παράπανω. Επιπλέον, απαιτεί καλή ανάμειξη (εμβολοφόρα κατασκευή και όχι φυγοκετρνική κατασκευή) ώστε να διαμορφωθεί το κατάλληλο ένεμα στην σωστή αναλογία. Η εγκατάσταση του ενέματος αυτού να πραγματοποιειται μέσω εντός της κατακόρυφης οπής.

Δυστυχώς, στην Ελληνική επικράτεια δεν εφαρμόζονται όλα τα παραπάνω λόγω έλλειψης γνώσεων και πιστοποιητικών των υλικών που προέρχονται από το λατομείο. Ελπίζω αυτά που ανάφερα παραπάνω να είναι αρκετά ώστε από εδώ και πέρα να ελεγχούν καλύτερα τόσο ο τρόπος κατασκευής όσο και του υλικού που θα χρησιμοποιηθεί στην ενεμάτωση μίας γεώθερμικής γεώτρησης.